Основно съдържание

Курс: Биология за напреднали/колеж > Раздел 4

Урок 3: Популационна екология

Преглед на популационната екология

Основни понятия

Термин	Значение
Популация	Група индивиди, които принадлежат към един и същи вид и живеят в една и съща област; например бездомните котки в град Ню Йорк
Популационна екология	Екологичната наука за влиянието на биотичните (живите) и абиотичните (неживите) фактори върху гъстотата, разпространението и размера на една популация
Размер на популация ( $N$ ‍)	Броят индивиди в популацията; например $500$ ‍ сърни в гора ( $N = 500$ ‍)
Плътност (гъстота)	Броят индивиди на единица площ или обем; например $100$ ‍ сърни на акър земя в гора
Зависим от гъстотата фактор	Отнася се до всяка характеристика, която променя размера на популацията ( $N$ ‍), понеже е засегната от гъстотата на популацията; например конкуренция
Независим от гъстотата фактор	Отнася се до всяка характеристика, която променя размера на популацията ( $N$ ‍), понеже не е повлиян от гъстотата на популацията; например природни бедствия като земетресение
Разпространение	Моделът на разпределение на индивидите в границите на една популация; например групирано разпространение
Носещ капацитет ( $К$ ‍)	Максимална численост на популацията (макс $N$ ‍), която може да бъде поддържана от наличните ресурси в една среда; например $К = 10$ ‍ за алигатори в блато
Експоненциален растеж	Растеж на популация в идеална среда с неограничени ресурси; например бактерии, оставени в обогатена на хранителни вещества петриева чинийка
Логистичен растеж	Плато на експоненциалния растеж поради органичаващи ресурси; например настоящата човешка популация

Колко зайци има на острова?

Представи си, че си популационен еколог, изпратен на новооткрит остров в Тихия океан. Специалността ти като популационен еколог е да проучваш различни популации на зайци на континента. Но сега задачата ти е да излезеш и да отговориш на куп нови въпроси, свързани с популационната екология на зайците на този нов остров. Кои са някои от нещата, които ти, като популационен еколог, трябва да установиш?

Първо и най-важно, трябва да установиш колко зайци има в популацията. В популационната екология числеността на популацията, означавана с

N

, е общият брой индивиди в популацията. Например, ако има

100

заека на острова, числеността на популацията е

100

, или

N = 100

Но ако искаш да знаеш повече неща, а не само колко зайци има на острова? Понякога за еколозите е по-интересно не просто каква е числеността на популацията, но също и това как е разпръсната или разпределена тя на дадена площ. В този случай някои интересуващи ни въпроси биха били:

Как точно е разпределена популацията в дадена област?
Има ли много зайци, струпани в отделна област на острова? Или те са по-равномерно разпределени по острова?

За да отговори на тези нови въпроси, един еколог би разгледал плътността на популацията, или броя индивиди на единица площ или обем.

Например, представи си, че единственият хранителен източник за зайците се среща на върха на хълм в центъра на острова. Сега можеш да зададеш (и отговориш) на въпроси като:

*Как са разпределени зайците на острова? Само с единичен източник на храна, те най-вероятно биха били плътно струпани в центъра на острова.
Ами ако имаше много източници на храна, разпръснати из острова? Как това би променило разпределението на заешката популация? В този случай бихме очаквали да видим по-равномерно разпределена популация на зайците из острова.

За да намери повече смисъл в различните възможни начини, по които популациите могат да са разпространени в дадена област, един еколог може да се фокусира върху разпръскването на популацията, или моделът на разделение между индивидите в границите на една популация. В екологията индивидите в една популация мога да бъдат разпространени по три начина: равномерно, случайно, на групи.

Равномерно разпределение. При равномерното разпределение индивидите от една популация са разпространени повече или по-малко равномерно. Равномерното разпределение се вижда често при животински видове, при които индивидите завладяват и защитават територии.

Случайно разпределение. При случайното разпределение индивидите са разпределени на случаен принцип без прогнозируем модел. Пример за случайно разпределение са глухарчетата и други растения, чиито семена се разпръскват от вятъра.

Разпределение на групи. При разпределението на групи индивидите са събрани в групи. Разпределение на групи може да се види при растения, които пускат семената си право на земята – като дъбови дървета – или животни, които живеят в групи – като ята риби или стада слонове.

Често разпределението на индивидите в една популация предоставя повече информация как те взаимодействат едни с други – и с тяхната околна среда – от просто измерване на плътността.

Динамика на популацията

Освен информация за плътността и разпределението на една популация, друг фактор, който е важен при изследванията в популационната екология, е как се променя във времето числеността на популацията (

N

). Важно е да помним, че екологията е динамична наука, което означава, че включва разглеждане на промени, които се случват на групи организми, и как тези промени влияят на техните постоянни взаимодействия с биотичните и абиотичните фактори на тяхната среда.

Еколозите използват различни математически методи, за да моделират динамиката на популацията (как популациите се променят по численост и състав с времето). Нека разгледаме някои примери за тези динамики и как те могат да се приложат към островните зайци.

Експоненциален растеж

Някои модели представят растежа на популацията без ограничаващи обстоятелства, в които числеността на популацията (

N

) се характеризира с експоненциален растеж. С други думи, този модел показва растежа на популацията в идеална обстановка с неограничени ресурси. Това може да бъде изобразено като J-образна крива на графика, която моделира растежа на популацията.

Например, ако зайците на острова имаха неограничени ресурси (като храна, вода, подслон, партньори), числеността на тяхната популация (

N

) би продължила да нараства експоненциално. В този "перфектен" свят на неограничени ресурси няма ограничаващи обстоятелства, които да намалят размера на популацията (

N

) и, следователно, островът, при достатъчно време, ще се изпълни докрай със зайци, подскачащи навсякъде!

Въпреки че експоненциалният растеж е труден за поддържане в природата поради ограничени ресурси, има интересни моменти, в които експоненциалният растеж определено е възможен. Например бактерии, които се възпроизвеждат безполово, едноклетъчни прокариоти, могат да нарастнат експоненциално в богата на хранителни вещества петриева чинийка за толкова малко време като само една нощ!

Освен това са възможни примери и за по-големи, многоклетъчни еукариоти, демонстриращи експоненциален растеж. Например възвръщащите се популации са популации от организми, които се "възстановяват" след прекарване на тежък спад в размера на популацията им.

Африканският слон, някога цел на широкоразпространено, неконтролирано ловуване, в крайна сметка се "възстановил" обратно до устойчива популация, след като били приложени строги закони за лова и опити за консервация от различни африкански правителства.

^{1}

Логистичен растеж

В реалността експоненциалният растеж е трудно да се поддържа през дълги периоди от време за произволна популация (включително зайците), понеже ресурсите са ограничени по природа. Ако това е така, какво би се случило със заешката популация, след като започне да се изправя пред такива ограничения на растежа? За да отговорим на този въпрос, ще разгледаме различен модел за растеж, използван от еколозите, познат като модела на логистичния растеж.

В модела на логистичния растеж популацията достига до плато на експоненциалния растеж поради ограничените ресурси. На свой ред, формата на графиката, която преди беше J-образна крива, сега става S-образна крива, която моделира растежа на популацията.

Какво точно определя това "плато" на растежа на популацията? В популационната екология носещият капацитет, означаван като

К

, представлява максималната численост на популацията, която може да бъде поддържана от наличните ресурси в околната среда. След като носещият капацитет (

К

) бъде достигнат, числеността на популацията осцилира около (

К

), периодично преминавайки леко над и под тази численост на популацията, в зависимост от наличните ресурси в околната среда.

В реалния живот има вариации на "идеалната" логистична крива. Можем да видим един пример на графиката по-долу, която илюстрира растежа на популацията на пристанищните тюлени в щата Вашингтон. В началото на 20-ти век тюлените били активно преследвани под правителствена програма, която ги смятала за вредни хищници, което силно намалило броя им.

^{2}

Откакто тази програма била спряна, популацията се възстановила по приблизително логистичен модел.

^{3}

Регулация на растежа на популацията

Както видя при модела на логистичния растеж, растежът на популацията на зайците, както и растежа на всички други популации, винаги ще среща някакъв вид ограничение на растежа, особено когато популацията достигне носещия капацитет (

К

). Като популационен еколог си струва да откриеш какви точно са факторите, които регулират, или влияят, на размера и растежа на заешката популация.

Растежът на заешката популация е повлиян от два главни фактора – зависими от гъстотата фактори, при които гъстотата на заешката популация в даден момент влияе на нейната скорост на растеж, и независими от гъстотата фактори, които влияят на скоростта на растеж на заешката популация без значение от плътността на популацията.

В таблицата по-долу са показани примери за зависими от гъстотата фактори. Характерно за тези фактори е, че увеличението на гъстотата на популацията е причина всеки от тях да влияе още по-силно върху числеността на популацията (

N

Зависими от гъстотата фактори

Фактор	Обяснение	Островни зайци
Конкуренция	В пренаселени популации увеличаващата се гъстота на популацията усилва конкуренцията за ресурси и може да причини намаляване на размера на популацията ( $N$ ‍)	Много зайци = много конкуренция за ограничени ресурси
Хищничество	Когато една популация на плячка става все по-гъста, хищниците получават по-лесен достъп до храна от този вид	Много зайци = много лесни цели за хищните котки на острова
Болести	В гъсти популации болестите могат да се разпространят по-бързо и могат да причинят намаляване на числеността на популацията ( $N$ ‍)	Много зайци = много гостоприемници за заболявания

Независими от гъстотата фактори

Независимите от гъстотата фактори са доста различни. Много абиотични (неживи) фактори влияят на смъртността на една популация, без значение от гъстотата ѝ, включително климатични условия, природни бедствия и замърсяване. Едно отделно зайче може да бъде убито в катастрофално земетресение на острова, без значение колко зайци са в тази област. Шансовете му за оцеляване са еднакви, без значение дали гъстотата на популацията е висока, или ниска. Следователно природните бедствия са независим от гъстотата фактор.

Както можеш да видиш, популационната екология се занимава с много повече от това просто да преброява зайците на един остров. Вместо това с дълбоко разбиране на всички различни фактори, които влияят на популацията на зайците, ти, като популационен еколог, можеш сега да опишеш динамичните промени, които се случват в популацията и, важно, дори да прогнозираш бъдещи промени въз основа на това, което вече знаеш за миналата и настоящата динамика на популацията. Към следващия остров!

Често срещани погрешни схващания

Учениците може да останат с грешното впечатление, че след като една популация достигне носещия си капацитет ( $К$ ‍), числеността на популацията вече не се променя. Това определено не е вярно в популационната екология) Популациите не остават постоянно при носещия капацитет ( $К$ ‍). Помни, че екологията е динамична наука, която винаги включва непрекъснато променящи се фактори, които влияят на популациите и техния растеж. Най-стабилните размери популации трептят около $К$ ‍, вместо да остават точно при тази стойност. $^{4}$ ‍
Учениците може погрешно да мислят, че моделите за растеж на популацията могат да са само експоненциални или логистични... но това не е така! Скоростта на растеж на една популация не се придържа изключително към експоненциален или логистичен модел на растеж. Моделите на растеж на популацията представляват спектър, който може да варира от експоненциален до логистичен. Моделите на растеж най-често се намират някъде между чисто експоненциален и чисто логистичен растеж.
Учениците може погрешно да мислят, че числеността на популацията винаги се увеличава. Но числеността на популацията не винаги се увеличава. Понякога една популация може да изпитва достатъчно сериозни проблеми, които намаляват нейната численост ( $N$ ‍). Намалението на числеността на популацията е резултат от отрицателна скорост на растеж, която може да се дължи на разнообразни фактори като болест, глад или природни бедствия, които водят до масово измиране през даден период от време.

Rebounding elephant population
Huber, H. and Laake, J. (2002). Trends and status of harbor seals in Washington state: 1978-99. In AFSC Quarterly Report, 1-13. Retrieved from http://www.afsc.noaa.gov/Quarterly/ond2002/ond02feature.pdf.
Skalski, J. R., Ryding, K. E., and Millspaugh, J. J. (2005). Figure 7.7. Coastal estuarine harbor seal abundance in Washington state, 1975-1999. In Wildlife demography: Analysis of sex, age, and count data. Burlington, MA: Elsevier Academic Press.
Graph depicting K fluctuation

Допълнителни източници

"Environmental limits to population growth," by OpenStax College, Biology, CC BY 4.0.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). The exponential model describes population growth in an idealized, unlimited environment. In Campbell biology (10th ed., pp. 1190-1192). San Francisco, CA: Pearson.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.